aimf1 1 2010 - LCMD | EPFL · (remis à jour en 2010 par C. Corminboeuf sur la base du support...

Chimie générale: concepts de base

Clémence Corminboeuf

Semestre d’automne 2010/2011

cours et exercices:

Lundi 8:00-9:45 amphipôle - auditoire B Vendredi 10:15-12:00 amphipôle - auditoire B

1ère partie: 24 septembre – 19 novembre

Répartition du cours: semestre d’automne 2010/2011 semestre de printemps 2011

Partie I: 9 semaines (C.C.) 9 semaines (S. Gerber) Partie II: 5 semaines (S. Gerber) 5 semaines (C.C.)

Organisation du cours AIMF I et II

Deux examens écrits de 2 heures: Hiver 2010 et été 2011

Office Hours Assistants: Stephan Steinmann (BCH 5118)

Fabrice Avaltroni (BCH 5118)

Daniel Jana (BCH 5118)

Jerome Gonthier (BCH 5118)

Clémence Corminboeuf (BCH 5312): Mardi 13:00-14:30

Jeudi 13:00-18:00

Tel.: (021 69)3 9357 [email protected] http://isic2.epfl.ch/page66645.html

Support du cours (AIMF I, 1ère partie)

•  Série d’exercices hebdomadaire

•  Cours: support Powerpoint en français (remis à jour en 2010 par C. Corminboeuf sur la base du support préparé par U. Rothlisberger en 2007)

Link via la section http://scgc.epfl.ch/

Littérature supplémentaire

• Peter Atkins, Loretta Jones En français: Principes de Chimie DeBoeck Université, Paris (2008) Traduction de la 4ème Edition, W. H. Freeman, NY (2008)

•  Peter Atkins Physical Chemistry 7th Edition, W. H. Freeman, NY (2002) http://www.whfreeman.com/pchem7

• Peter Atkins, Loretta Jones Chemical Principles, the Quest for Insight 4ème Edition, W. H. Freeman and Company, NY (2008) http://www.whfreeman.com/chemicalprinciples/

• TP I: 1/3 chimie générale, 1/3 chimie inorganique et 1/3 chimie organique

• TP II: 1/3 Modélisation et 1/3 chimie générale et 1/3 chimie analytique

Travaux Pratiques

Visualisation des molécules Représentation des fonctions mathématiques

Responsables des travaux pratiques

Gabor Laurenczy BCH 2405, tel.: 39858, [email protected]

Ivano Tavernelli BCH 4107, tel.: 30328, [email protected]

Modélisation

Christophe Roussel CHB 1375, tel.: 37675, [email protected]

•  Projet Poseidon http://poseidon.epfl.ch : Des offres avantageuses pour laptops (MACs et PCs) Pour les étudiants d’EPFL et de l’UNIL! Support en cas des problèmes: Poseidon Helpdesk !

vous pouvez emprunter un ordinateur portable à la section de chimie et génie chimique

•  Pour les étudiants de chimie seulement:

•  Contactez le secrétariat de la section de chimie!

Si vous n’avez pas de laptop

Section de chimie et génie chimique

Jean-Luc Marendaz (adjoint)

Jenny Oswald (secrétaire)

Marie D’Addario (secrétaire)

BCH 3310, tel.: (021 69)39851, [email protected]

BCH 3303, tel.: 39850, [email protected]

BCH 3303, tel.: 39848, [email protected]

:

Introduction: La structure de la matière

Chapitre 1: La structure des atomes

Chapitre 2&3: Le nuage électronique

Chapitre 4: La liaison chimique

Forces intramoleculaires

Chapitre 5: Les interactions intermoléculaires

Introduction

La chimie est la science des propriétés et des transformations de la matière.

échelle macroscopique échelle moléculaire

Quelle est la structure de la matière ?

• John Dalton (1766-1844): développe la première théorie atomique basée sur des mesures expérimentales

•  Démocrite (philosophe grecque 460-371 AD) pensée philosophique: la matière est constituée d’entités extraordinairement petites qu’il appelait atomes (dérivé du mot grecque ‘atomos’ = insécable)

L’idée est ancienne:

La vérification expérimentale:

1803-1805: Chaque élément est composé d’atomes d’un seul et unique type. Les atomes sont immuables, indestructibles mais peuvent se combiner en structures plus complexes.

La structure de la matière

Toute matière est faite d’atomes. Un élément chimique est constitué d’un seul type d’atomes. Aujourd’hui ca. 112 atomes (éléments) différents sont connus.

De nos jours, l’existence des atomes est bien établie: Le microscope à balayage à effet tunnel (‘scanning tunneling microscope (STM)’) permet, p. ex. d’observer des images d’atomes

Image STM de la surface de GaAs

Le programme du cours toute matière est

composée de particules

La particule qui est responsable des caractéristiques chimiques de la matière est l’atome. Les atomes peuvent interagir et former des groupes d’atomes fortement liés: les molécules. Les interactions entre les molécules déterminent les propriétés physiques (e.g. points de fusion et les points d’ébullition d’un composé).

Chapitre 1: la structure des atomes

La découverte de l’électron par Thomson

→ 1897: l’atome est divisible. J. J. Thomson découvre la première particule subatomique: l’électron. Pour expliquer la charge neutre des atomes, il propose le model des charges négatives dispersées dans un “gel” chargé positivement.


Modèle pudding

Tube de Crookes (cathodique)

Principe: Flux de particules déviées se déplaçant de la cathode vers l’anode

Le modèle de Rutherford

→ 1911 Interprétation : l’atome contient un noyau très petit où toute la masse et la charge positive (les neutrons et les protons) sont concentrées et entourées par un grand nuage électronique (espaces vides).


→ 1908 expérience de la feuille d’or: Certains éléments émettent des particules α. Ces dernières ne pénètrent pas facilement la feuille d’or (1/20000 particules déviées) → le modèle du gel (charge positive diffuse) est invalidé.

Le nuage électronique et le noyau

rel/rnuc ≅ 104-105

x

Le rayon électronique est beaucoup plus grand que le rayon du noyau:

Exemple: rnuc = 1 cm

rel = 1km


La structure interne des atomes

•  Les atomes ne sont pas les plus petites particules possibles mais sont constitués de particules subatomiques:


La structure interne du noyau La chimie s’intéresse aux changements dans le nuage électronique -  force électromagnétique -  énergie d’interaction

typique: 400 kJ/mol

La structure du noyau

Protons et neutrons sont constitués de

particules encore plus

élémentaires: les quarks


La structure du noyau: la physique nucléaire

Quelles sont les forces qui tiennent le noyau ensemble malgré la large répulsion entre les protons?

Jusqu’en 1932: 3 particules élémentaires: l’électron, le proton, et le neutron Aujourd’hui: > 100 particules élémentaires (pions, positons, anti-particules,neutrinos, quarks (6 saveurs: up, down, charm, strange, top, bottom, 3 couleurs and 3 anti-couleurs)

Site web des particules élémentaires:

http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/elementaryparticles/elementaryparticles.html


Les forces fondamentales

la plus puissante

rayon d’action très court

1/r2

la plus faible


Le nombre atomique •  Les caractéristiques chimiques d’un atome sont déterminées par le

nombre d’électrons qu’il contient. •  Pour un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de

protons: nel = nprot

•  Tous les éléments chimiques sont constitués d’un seul type d’atome qui est caractérisé par un nombre identique de protons nprot

Un élément est indiqué par: •  un symbole (1 ou 2 lettres: p.ex. H (hydrogène), Na (sodium) etc…) •  le nombre atomique Z égal au nombre de protons Z = nprot

Dans le tableau périodique des éléments les éléments sont classifiés selon l’ordre croissant du nombre atomique.


Le tableau périodique

http://www.webelements.com/ http://www-tech.mit.edu/Chemicool/


Le nombre de masse et les isotopes

Le nombre total de nucléons (protons et neutrons) est appelé le nombre de masse A: A = nprot + nneut

•  Les atomes d’un même élément peuvent contenir un nombre variable de neutrons: ils possèdent les mêmes propriétés chimiques mais une masse différente.

Les atomes avec les mêmes nombres atomiques (Z) mais des nombres de masse (A) différents sont appelés isotopes.

Exemple: les isotopes du néon

A=20 Z=10

A=21 Z=10

A=22 Z=10


Quelques isotopes importants Les isotopes stables sont caractérisés par nneut~ nprot , resp. A ~ 2Z (‘l’île de stabilité’)


Quels nombres de masse correspondent aux noyaux stables

•  les isotopes sur la ligne noir sont en général stables

• A = 2Z jusqu’à Z≅ 30 • A > 2Z pour Z > 30

→ Consultez les tables d’isotopes (si disponible)! → Essayez de prédire la décomposition la plus probable en utilisant la

règle approximative de l’île de stabilité:


Les tables d’isotopes •  Quels nombres de masse correspondent aux noyaux stables? http://en.wikipedia.org/wiki/Isotope_table_%28complete%29

http://www-nds.iaea.org/nudat2 •  La désintégration nucléaire:

Quiz I

1)  Quel est le nombre atomique du carbone? A) 12 B) 6 C) 13

2)  Quel est le nombre de masse de l’isotope le plus abondant du carbone? A) 12 B) 6 C) 13

3)  Combien de protons et de neutrons cet isotope a-‐t-‐il ? A) 6 protons et 6 neutrons B) 12 protons et 12 neutrons C) 6 protons et 7 neutrons


Les propriétés physiques des isotopes

L’image montre deux échantillons chacun ayant une masse de 100g. L’échantillon à gauche contient de l’eau (H2O) et celui de droite de l’eau lourde (D2O). Leur densité étant différente, le volume occupé par l’eau lourde est 11% moindre que celle de l’eau normale.

Tous les isotopes d’un élément ont le même nombre atomique (Z) i.e. le même nombre de protons et d’électrons nel = nprot. Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais des propriétés physiques différentes à cause de leur différence de masse.


Résumé: nombre atomique et nombre de masse Tous les éléments chimiques sont constitués d’atomes avec un nombre spécifique de protons (qui est égal au nombre d’électrons). Le nombre de protons d’un atome s’appelle nombre atomique Z. Dans le tableau périodique tous les éléments chimiques sont classés dans l’ordre croissant de Z.

Exemple:

Les atomes d’un élément peuvent contenir un nombre variable de neutrons, et par conséquent avoir des masses différentes. Des atomes ayant un nombre identique de protons mais un nombre différent de neutrons, sont des isotopes. Le nombre total de protons et de neutrons détermine la masse de l’atome. Les isotopes d’un atome ont le même nombre atomique Z mais un nombre de masse A différent.

C

symbole chimique pour carbone

12

Nombre de masse A

6 Nombre atomique Z

13C 6 14C 6

98.90% 1.10% <0.01%


Mesures de Masses atomiques

Les masses atomiques et moléculaires peuvent être mesurées avec grande précision.

Les isotopes de néon

spectre de masse de HF

spectromètre de masse: accélération, déviation et détection des atomes (ou molécules) ionisés.

Les masses sont mesurées dans des unités de masse atomique 1uma:

1 uma = 1.66054 10-27 kg Exemple: masse atomique de 12C: 12 uma (mais dans le TPE: mC = 12.011 (selon l’abondance naturelle des isotopes)


Quiz II

1)  La masse atomique de H-1 est ~1uma. Cette masse est-elle égale à la somme des masses des particules subatomiques de H-1?

A) oui B) non

2)  Quelle est la masse moyenne d’un atome de carbone donnée par le tableau périodique des éléments? Quelle est l’abondance naturelle des deux isotopes stables du carbone?

3)  Combien de pics attendez-vous à voir dans un spectre de masse d’une molécule de C2H2 (sans fragmentation)?

A) 2 pics B) 4 pics C) 5 pics


Quiz II Quelle est la masse moyenne d’un atome de carbone donnée par le tableau périodique des éléments? Quelle est l’abondance naturelle des deux isotopes stables du carbone?

http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Elements/index.html


Combien d’atomes sont contenus dans les quantités macroscopiques de matière?

En pratique, on ne travaille pas avec 1 ou 2 atomes mais avec des quantités macroscopiques de substances contenant des centaines de milliers de milliards de milliards (1023) d’atomes ou de molécules.

Afin de ne pas jongler avec des chiffres aussi grands, les chimistes ont introduit la mole.


Quelques définitions...

Le nombre d’Avogadro NA: NA = 6.02214 1023 mol-1

La mole: 1 mole est la quantité d’une substance contenant le nombre d’Avogadro de particules.

La masse molaire: La masse d’une mole de particules. La masse donnée dans les tableaux périodiques des éléments peut être interprétée comme masse d’un seul atome de l’élément en unités de masse atomique ou comme la masse molaire de cet élément en g/mol.

La molarité d’une solution: La molarité est une mesure pour la concentration d’une solution. Une solution de molarité 1M contient une mole d’une substance dissolue par litre de solution.


Quiz III

1)  Quelle est la masse molaire de l’eau? A) 18 uma B) 18 g/mol

2)  Combien de moles sont contenues dans un échantillon de carbone de 1g?

A) 1 mole B) 12 moles C) 1/12 mole

3)  Combien de grammes de NaCl faut-il pour préparer un litre d’une solution 2 molaire?

A) 58.5 g B) 200g C) 117 g


Radioactivité

Marie Curie (1867–1934) 1896: Introduction de la radioactivité: rayons émis par des atomes d’uranium, puis thorium, radium, polonium (origine du noyau par Ruhterford 1908, encore inconnue)

Henri Becquerel 1896: découverte de traces sur un plaque photographique à proximité d’oxyde d’uranium. particules α:

2 protons 2 neutrons

Radiation de type γ

1) Émission de particules:

e- émission d’électrons radiation de type β-

2) Émission de radiation électromagnétique

radiation de type α Rutherford: 1898: identification de 3 types de radiation:


Désintégrations nucléaires

Désintégration α: Perte de 2 protons (Z-2) et 2 neutrons (A-4). Noyaux lourds, riches en protons.

Désintégration β-: Conversion d’un neutron en proton (Z+1) (éjection d’un électron du noyau). Noyaux riches en neutrons.

Capture d’électrons: Conversion d’un proton en neutron (Z-1) par capture d’un électron (inverse de la désintégration β)

Émission de positons: Conversion d’un proton en neutron (Z-1) par émission d’un positon β+

Trop de nucléons, les forces nucléaires ne font plus leur travail: désintégration

Propriétés des radiations nucléaires type degré de

pénétration vitesse particule protection

nécessaire exemple

α faible (1) mais beaucoup de dégât

10% c 4-He2+ papier, peau 226-Ra → 222-Rn + α

β- moyen (100) <90% c électron 3mm aluminium

3-H → 3-He + e-

γ Haut (10 000) c photon béton,plomb 60-Co* → 60-Co + γ

β+ Moyen > 90% c positon 22-Na → 22-Ne + β+

p Moyen à bas 10 % c proton 53-Co →52-Fe + p

n très haut < 10% c neutron 137-I → 136-I + n


Lesquels des nucléides sont instable? Quel type de désintégration préfèrent-ils?

•  les isotopes sur la ligne noir sont en général stables

•  les isotopes dans la région bleue (A > 2Z) ont une probabilité haute pour l’émission de type β-

•  dans la région rouge ( A < 2Z) radiation de type α est préféré (Z>60)

•  les isotopes dans la région rose (A << 2Z) sont caractérisés par l’émission de positons ou la capture d’électrons

→ Consultez les tables d’isotopes (si disponible)! → Essayez de prédire la décomposition la plus probable en utilisant la

règle approximative de l’île de stabilité:


Quel type de désintégration?

92238U ! 90

234Th + 24He2+

"!"#

Désintégration α: noyau lourd (Z>60) riche en protons A<2Z

614C! 7

14N + "#

e#!

Emission β-: riche en neutrons (A > 2Z)

2244Ti + e! " 21

44ScCapture β- ou Emission β+ riche en neutrons (A << 2Z)


Une réaction nucléaire aboutit souvent à des produits qui sont eux-même instables.

•  La série des décompositions nucléaire d’uranium-238.

Exemple:


La loi de désintégration radioactive L’activité A est définie par la vitesse de la décomposition radioactive: le nombre de désintégrations par seconde: N(t) = N0e-kt

La demi-vie t1/2 est le temps pour lequel la moitié des nucléides radioactifs sont décomposés.

N(t1/2) = 1/2 N0

N0 : nombre des isotopes radioactifs au temps t0 (t = 0) k: constante de désintégration (s-1)


Les demi-vies de quelques nucléides


Les mesures d’activité •  compteur de scintillations

(Argon)

Haute différence en potentiel (500-1200V)

Les radiations interagissent avec la matière et causent des ionisations. Ces dernières sont utilisées pour mesurer le taux de radiation dans un compteur de Geiger.


Unités de radiation

Principales sources de radioactivité naturelle: K-40 (4.4kBq, 200mrem), radiation cosmique (27mrem) Par comparaison, 1986 Tchernobyl Cs-137, pendant les premiers 10 jours: 12 exa Bq (un billion de billion (1018) Becquerels)

L’exposition humaine aux rayonnements est caractérisée par la dose absorbée (énergie déposée dans un corps exposé au rayonnement) et l’équivalent de dose (tient compte des effets de différents types de rayonnement sur les tissus.


Les applications diagnostic médical: tomographie par émission de positons (PET) Principe: marquage d’hormones au F-18 (t 1/2 = 110 min). Le composé qui porte le fluor sera absorbé préférentiellement par la tumeur cancéreuse. Le fluor émet des positons rapidement annihilés par des électronsdétection de rayons γ par le scanner. imagerie: 99mTc (γ, t 1/2 = 6 h)

Buts thérapeutiques: Utilisation de rayonnements pour detruire les cellules malignes • absorption de 10B non radioactif mais emission α après bombardement de neutrons (t 1/2 = 8.05 d) 186Re, 188Re (β-, t 1/2 = 3.8 d) 131I (β-, t 1/2 = 8.05 d) 90Y (β-, t 1/2 = 64 h)


Les applications Datation isotopique (e.g. carbone-14, β, t 1/2 = 5.73 103 y) Principes: Mesure de l’activité des isotopes radioactifs contenu dans un échantillon. Le carbone-12 est l’isotope principal du carbone, mais une petite proportion de carbone-14 est présente dans tous les organismes vivants.

t = −

1k

ln(NN0

)

t1/ 2 = ln(2) / k

N = N0e−kt

t = −

t1/ 2

ln 2ln(

NN0

)

Le rapport N/N0 est égal au rapport des nombres de désintégrations dans les échantillons anciens et modernes .


Réactions nucléaires •  fission nucléaire (décomposition des noyaux en noyaux plus petits: U-235, Pu-239) •  fusion nucléaire (fusions de deux noyaux: D et T)

H bombe (fusion)

Bombe atomique sur Nagasaki

(fission Pu-239)

Le soleil, un réacteur de fusion naturel

Réacteur nucléaire (fission U-235 et Pu-239)

À maitriser

Chimie Nucléaire: • Utilisation de la bande de stabilité pour prédire le type de désintégration probable d’un noyau radioactif donné.

• Utilisation de la demi-vie d’un isotope pour déterminer l’âge d’un objet. • Prédire la quantité d’échantillon radioactif qui restera après une période de temps donnée.

Les Fondements de la structure de l’atome: • Décrire la structure de l’atome. • Trouver le nombre d’atomes dans une masse donnée d’un corps simple. • Trouver le nombre de neutrons, de protons et d’électrons d’un isotope. • Calculer la masse molaire d’un composé connaissant sa formule chimique. • Calculer la masse molaire d’un élément connaissant sa composition isotopique.

Littérature supplémentaire pour chapitre I

Atkins and Jones (traduits de l’anglais): Principes de Chimie

•  Fondements B et E •  Chapitre 17: Chimie Nucléaire

Atkins and Jones: Chemical Principles, the Quest for Insight

•  Fundamental B and E •  Chapter 17: Nuclear Chemistry

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